專利名稱：一種制備高產(chǎn)量氧化鋅納米電纜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種制備高產(chǎn)量ZnO納米電纜的方法，實(shí)現(xiàn)了大范圍的可控生長，并極大地降低了制備溫度。
背景技術(shù)：
ZnO材料具有優(yōu)異的透明導(dǎo)電性能，其室溫帶隙為337eV，激子結(jié)合能高達(dá)60meV，是一種具有很大潛在應(yīng)用價(jià)值的紫外半導(dǎo)體光電材料，此外，它還具有良好的壓電效應(yīng)、生物安全性。納米線的化學(xué)適應(yīng)性和一維特性(小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)和量子隧道效應(yīng))更使ZnO材料在磁、光、電、敏感等方面具有了更多常規(guī)材料不具備的優(yōu)異的性能。一維ZnO納米材料的制備和應(yīng)用目前已在世界范圍內(nèi)受到了人們極大的關(guān)注。氧化鋅納米線、納米帶、四針狀納米棒、納米管、納米螺旋槳、納米彈簧、納米環(huán)等多種結(jié)構(gòu)已被人們成功的制備出來，不同的納米結(jié)構(gòu)會(huì)有潛在的不同的用途；目前，基于ZnO一維納米材料人們已構(gòu)造出多種納米器件如氣象傳感、場效應(yīng)管、納米懸臂梁等。ZnO納米電纜有望(1)作為重要的納電子元件應(yīng)用于納米功能器件；(2)基于氧化鋅的壓電效應(yīng)，可以將其制成力學(xué)，光學(xué)信號(hào)的偶合和轉(zhuǎn)換器件；(3)實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)的定向傳輸。
目前，中國科學(xué)院物理所的L.Dai等人采用“兩步法”于850℃成功制備了直徑在50 to 100nm之間的ZnO/SiOx納米電纜(L.Dai，X.L.Chen，X.Zhang，T.Zhouand B.Hu，Coaxial ZnO/SiO2nanocables fabricated by thermalevaporation/oxidation，Applied Physics A 78，557-559(2004))該“兩步法”為850℃在純氬氣氣氛下蒸發(fā)鋅粉、然后向反應(yīng)器內(nèi)通入5％的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，冷卻后制得ZnO納米電纜。
目前一維氧化鋅納米材料的制備呈現(xiàn)出爆炸式的發(fā)展，形態(tài)各異的納米材料不斷被報(bào)道出來，有些已有了實(shí)際的應(yīng)用，人們?nèi)栽诓粩喟l(fā)掘具有新的結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米材料并尋找更可控，可靠的制備方法?？傮w而言，目前在制備方面有幾個(gè)重要的問題丞待解決，其中的兩個(gè)方面是降低制備溫度和真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生長，近年來很多研究都在致力于解決這兩方面的問題，而這兩方面的問題實(shí)際上是聯(lián)系在一起并互相制約的。降低制備溫度是出于節(jié)約能耗和降低制備要求的角度考慮，但更是為了實(shí)現(xiàn)納米器件的組裝或自組裝(高溫下這一步無法實(shí)現(xiàn))。目前制備氧化鋅納米材料的方法以王中林組蒸發(fā)純氧化鋅方法最為可靠，它要求的溫度在1300℃以上，用ZnO+C作為原料的碳熱還原法也需要900℃以上的溫度。低溫制備方法(200℃以下)包括液相法、模板法等制備方法更易于器件組裝，但所制得的材料質(zhì)量上無法與固相法相比。
以純鋅為原料的制備方法所需溫度較低，在500℃-900℃之間。然而由于反應(yīng)器中鋅粉的蒸發(fā)及氧化速度不宜控制，所以這種方法相比而言可重復(fù)性差，產(chǎn)率較低。包括上面提到的L.Dai等人制備的ZnO/SiOx納米電纜，簡單的鋅粉蒸發(fā)法可靠性較差，產(chǎn)率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于一種制備高產(chǎn)量ZnO納米電纜的方法，解決了產(chǎn)率不高和可控生長的問題，實(shí)現(xiàn)了大范圍的可控生長，并極大地降低了制備溫度。
本發(fā)明的具體工藝通過如下三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)1、將硅(100)基片在HNO3+HF溶液中超聲清洗并用去離子水和酒精分別沖洗干凈。之后在其上濺射一層15～25納米厚的金膜。要求HNO3+HF溶液摩爾比在2∶1，金膜是采用磁控濺射儀鍍?cè)诠杌系?，其厚度用自帶的石英晶體震蕩器控制。單晶硅是制備一維氧化物納米材料常用的沉積基片，沉積一層金膜是作為催化劑使ZnO/SiOx納米電纜實(shí)現(xiàn)外延生長。
2、將純鋅粉和純錫粉(質(zhì)量比1∶1)充分研磨均勻并將其置于瓷舟中，研磨時(shí)間20～30分鐘，之后將鍍有金膜的硅基片倒扣于瓷舟上；3、把瓷舟放入管式爐中的石英管中部，調(diào)節(jié)流量計(jì)向管中通入氬(98％)/氧(2％)混合氣體(300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)。在此氣氛下將管式爐升溫至530～570℃并保溫20～25分鐘。冷卻至室溫后利用掃描電鏡、配備有能譜的透射電鏡對(duì)沉積在硅基片的樣品進(jìn)行分析，證實(shí)所得產(chǎn)品為具有核心(ZnO)/包敷層(SiOx)結(jié)構(gòu)的納米電纜。
盡管金和硅的熔點(diǎn)分別為1064℃和1410℃，但金硅共熔反應(yīng)的溫度僅為370℃。當(dāng)反應(yīng)器溫度開始達(dá)到370℃時(shí)，金膜和硅基片的界面處首先發(fā)生金硅共熔反應(yīng)，局部形成金硅合金；溫度進(jìn)一步升高后，鋅蒸汽逐漸釋放出來，金硅合金開始從反應(yīng)器內(nèi)吸收鋅蒸汽，從基片內(nèi)吸收硅原子以維持平衡。這一過程使液態(tài)合金體系迅速達(dá)到過飽和態(tài)，于是ZnO/SiOx納米電纜從液態(tài)合金的表面生長出來，并通過氧化反應(yīng)繼續(xù)生長。鍍有金膜的硅基片在反應(yīng)中使SiOx外層在較低溫度下的生長成為可能。
雖然原料中有50％的錫粉，但對(duì)制得的ZnO/SiOx納米電纜的分析表明，其成分中不含有錫元素。然而，對(duì)于本方法，原料中加入錫粉是必要的，否則將不會(huì)得到所需的材料。錫粉具有低熔點(diǎn)232℃，高沸點(diǎn)2270℃。它較鋅粉先為熔化，但由于沸點(diǎn)很高，在200-300℃的溫度內(nèi)蒸汽壓很低，其液滴在瓷舟內(nèi)直接被氧化，氧化物將還沒有熔化的鋅粉緊緊包覆，使其在適宜的蒸發(fā)溫度下較難釋放鋅蒸汽，從而很好的控制了反應(yīng)器內(nèi)鋅蒸汽的分壓，而這一點(diǎn)對(duì)于一維納米氧化鋅的制備尤為重要。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1.制備出了直徑在30-60nm之間的ZnO納米電纜，較已有方法的50-100nm大為降低。
2.極大地提高了ZnO/SiOx納米電纜的產(chǎn)率，并且這一方法對(duì)于提高制備其他一維ZnO納米材料的產(chǎn)率也將有積極的借鑒意義。
3.已有方法的制備溫度為850℃，本發(fā)明的結(jié)果相對(duì)這一溫度降低了300℃。


圖1(a)和圖1(b)為本發(fā)明所制ZnO納米電纜的掃描電鏡照片，從圖上可以看出，制得的材料產(chǎn)率很高，長徑比可觀(大于50)。圖(a)是一張低倍照片，顯示出此方法的確為大范圍的可控生長。
圖1(c)為本發(fā)明高分辨透射電鏡照片。從圖中可以看出，核心區(qū)有規(guī)則的條紋，根據(jù)電子衍射花樣可以肯定此區(qū)域?yàn)榫哂辛嚼w鋅礦結(jié)構(gòu)的氧化鋅，它沿[2021]方向生長。包覆層具有較低的對(duì)比度，沒有晶體的特征條紋線出現(xiàn)，可以肯定其為非晶層。通過能譜分析，其化學(xué)成分為硅和氧，比例約為1∶1，非晶氧化硅在電路組裝方面作為鈍化層和絕緣層，已得到廣泛的應(yīng)用。
具體實(shí)施例方式
管式爐規(guī)格長75cm，管徑45mm，最高加熱溫度1000℃。石英管管長100cm，管徑32mm。
在以下實(shí)驗(yàn)條件下制得的ZnO/SiOx納米電纜其長徑比最好，產(chǎn)率最高首先將硅(100)基片在HNO3+HF溶液中(摩爾比2∶1)超聲清洗并分別用去離子水、酒精沖洗干凈。在其上用磁控濺射儀濺射一層20納米厚的金膜。將純鋅粉和純錫粉(質(zhì)量比1∶1)充分研磨后(20分鐘)作為原料放于瓷舟，鍍有金膜的硅基片置于其上。然后將瓷舟放于管式爐中的石英管中部，調(diào)節(jié)流量計(jì)向管中通入氬(98％)/氧(2％)混合氣體(300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘)。在此氣氛下以每分鐘20℃的速度將管式爐升溫至550℃并保溫20分鐘。繼續(xù)通氣體直至管式爐冷卻至室溫，取下硅基片，其上沉積的白色絨狀物即為所需產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種制備高產(chǎn)量ZnO納米電纜的方法，其特征在于具體工藝為a、將硅(100)基片在HNO3+HF溶液中超聲清洗并用去離子水和酒精分別沖洗干凈，之后在其上濺射一層15～25納米厚的金膜，HNO3+HF溶液摩爾比在2∶1，金膜是采用磁控濺射儀鍍?cè)诠杌系?，其厚度用自帶的石英晶體震蕩器控制，單晶硅是制備一維氧化物納米材料常用的沉積基片，沉積一層金膜是作為催化劑使ZnO/SiOx納米電纜實(shí)現(xiàn)外延生長；b、將純鋅粉和純錫粉質(zhì)量比1∶1，充分研磨均勻并將其置于瓷舟中，研磨時(shí)間20～30分鐘，之后將鍍有金膜的硅基片倒扣于瓷舟上；c、把瓷舟放入管式爐中的石英管中部，調(diào)節(jié)流量計(jì)向管中通入氬98％/氧2％混合氣體300標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘，在此氣氛下將管式爐升溫至530～570℃并保溫20～25分鐘，冷卻至室溫，所得產(chǎn)品為具有核心ZnO/包敷層SiOx結(jié)構(gòu)的納米電纜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種制備高產(chǎn)量ZnO納米電纜的方法，具體工藝為將硅(100)基片在HNO
文檔編號(hào)H01B5/14GK1588569SQ20041008042
公開日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月9日
發(fā)明者張躍, 賀建, 黃運(yùn)華, 顧有松, 紀(jì)箴 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)